JP2010011047A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像素子の画素数増加に伴ない、撮像動作において必要とされる信号処理量が増加している。これに対し、各画素信号の加算処理や間引き処理により高速処理を行うことが可能となるが、加算処理時に混色するとカラー表示ができなくなるなど、撮像装置の各動作に適した処理を行う必要がある。
【解決手段】 二次元配列の複数の画素で構成され、複数の色のカラーフィルタが各画素に設置された撮像素子と、映像信号中の高周波成分を焦点評価値として検出し、前記焦点評価値に基づいてフォーカスレンズを駆動し焦点調節を行う測距手段を備え、撮像素子の画素信号の読み出し動作において、全画素読み出しと、隣接画素加算読み出しと、同色画素加算読み出しが可能であって、前記測距手段による測距動作においては隣接画素加算読み出しを行うことを特徴とする。
【選択図】 図６

Description

本発明は、撮像素子の画素信号の加算読み出しが可能な撮像装置に関する。

電子カメラなどに採用される撮像素子の画素数は、解像度向上のため増加傾向にある。一方で、例えば映像信号の高周波成分が最大となるように焦点調節を行うコントラスト検出方式の測距動作などにおいて、全画素信号を読み出して処理を行うと、画素数の増加分だけ信号処理量が増加し高速処理が困難になる。また画素数の増加によって、同サイズ撮像素子における１画素あたりの受光面積が小さくなり、S/N比が低下する傾向にある。

この問題に対し、例えば、特許文献１では、固体撮像素子の垂直方向ｍライン毎にｎラインを加算した画素信号を読み出し処理するモードや、垂直方向の連続するｑライン毎に加算した画素信号を読み出し処理するモードをもつ撮像装置が提案されている。
特開２００４−９６７９０号公報

前記の特許文献１によれば、画素数増加による信号処理量の増加を抑えて高速処理を行うことが可能となる。また加算信号を用いた処理系では、S/Nが向上し高精度な制御などが可能となる。しかし、水平方向は１ライン全ての画素信号を読み出すため、さらなる信号処理量の低減は困難である。

ところで、カラー表示装置やAWB情報に用いる映像信号においては加算処理時に混色を避ける必要がある。また、山登り方式の測距手段においては映像信号の高周波成分を用いるため、離れた画素の加算処理は避ける必要があると同時に、低照度条件下のS/N比向上のためは加算処理が重要である。

そこで本発明の目的は、上記問題点を解決するため、撮像素子の画素信号の読み出し動作を撮像装置の各動作に応じて適切に行うことである。

前述の目的を達成するために請求項１に記載の撮像装置は、
二次元配列の複数の画素で構成され、複数の色のカラーフィルタが各画素に設置された撮像素子と、映像信号中の高周波成分を焦点評価値として検出し、前記焦点評価値に基づいてフォーカスレンズを駆動し焦点調節を行う測距手段を備え、撮像素子の画素信号の読み出し動作において、全画素読み出しと、隣接画素加算読み出しと、同色画素加算読み出しが可能であって、前記測距手段による測距動作においては隣接画素加算読み出しを行う
ことを特徴とする。

前述の目的を達成するために請求項２に記載の撮像装置カメラは、
前記画素加算読み出しは、低照度条件下では水平方向および垂直方向に加算する画素数を増やす
ことを特徴とする。

前述の目的を達成するために請求項３に記載の撮像装置カメラは、
前記撮像素子の画素信号によりホワイトバランス処理を行うホワイトバランス処理手段と、前記撮像素子の画素信号により測光動作を行う測光手段と、リアルタイム動画像や撮影画像および各種設定情報などを表示する表示手段と、前記測光手段や前記測距手段による撮影スタンバイ動作を行うスイッチと、前記撮影スタンバイ終了後に撮影を行う撮影スイッチとを備え、撮影スタンバイ動作前は同色画素加算読み出しを行い、撮影スタンバイ動作中は隣接画素加算読み出しを行う
ことを特徴とする。

本発明の撮像装置によれば、撮像素子の画素信号の読み出し動作を撮像装置の各動作に応じて適切に行うことで、高速処理とS/N比向上による高精度な制御が可能となる。

次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。

本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に説明する。

以下、本発明の実施例で用いた撮像素子の動作について図を参照しながら詳述する。ここに、図３は撮像素子の画素構成を説明する図、図４は撮像素子の構成を説明する図、図５は撮像素子の画素の色フィルタ配置を示す図である。

３０８はフォトダイオード（以下ＰＤとする）３０１で蓄積された電荷を増幅ＭＯＳトランジスタ３１０のゲートを浮遊構造としたフローティング・デフュージョン（以下、ＦＤとする）に転送する為の電位障壁操作用転送ゲートのＭＯＳトランジスタである。また、３０７は該ＰＤ３０１の電荷をリセットする為のリセットＭＯＳトランジスタである。そして、ライン選択用のＭＯＳトランジスタとして３０９が設けられている。なお、これらのＭＯＳトランジスタのゲートは、それぞれＰＤ３０１の電荷を転送する転送信号線３０４、ＦＤをリセットするリセット信号線３０６、および選択信号線３０３に接続されている。ここで、ＰＤ３０１に蓄積された電荷は、リセット信号線３０６によりリセットトランジスタ３０７がオンしリセットされたＦＤへ、転送信号線３０４により選択されたＭＯＳトランジスタ３０８を通して転送され、選択信号線３０３により選択された選択ＭＯＳトランジスタ３０９を介してソースフォロワＭＯＳトランジスタ３１０で増幅され、読み出し線３０５へ読み出される。図４は図３に示された画素の複数配列した画素部と読み出し回路を示す回路構成図である。図４では簡易化のために２×２画素のみが示されている。

非加算制御では、ＰＤ３０１−１の電荷は、図４に示されるＭＯＳトランジスタ４０１−１が信号線４０９により導通されることで容量４０２−１へ該電荷は蓄積される。同様に、ＰＤ３０１−２の電荷は、信号線３０３−１、３０４−１、３０６−１および４０９によるＰＤ３０１−１の読み出し制御の際に容量４０４−１へ読み出される。続いて、信号線４０７と信号線４０８が交互にオンされることで、ＰＤ３０１−１、ＰＤ３０１−２の撮像信号は順次に増幅器４１１を通して読み出される。垂直方向への動作は３０６−２、３０４−２、３０３−２の制御から上記と同様の動作により行われる。

次に加算制御では、図４に示される信号線３０６−１、３０４−１、３０３−１、および４０９の制御で、ＰＤ３０１−１、ＰＤ３０１−２の電荷がそれぞれ容量４０２−１、４０４−１へ蓄積される。続いて、信号線３０６−２、３０３−２、３０４−２および４１０の制御で、ＰＤ３０１−３、ＰＤ３０１−４の電荷がそれぞれ容量４０２−２、４０４−２へ蓄積される。この後、信号線４０７と信号線４０８を同時にオンすれば、ＰＤ３０１−１、ＰＤ３０１−２、ＰＤ３０１−３、およびＰＤ３０１−４の電荷を加算した撮像信号が増幅器４１１を通して読み出される。またＰＤ３０１−１、ＰＤ３０１−４の信号の電荷を容量４０２−１、容量４０４−１へ蓄積し、この後、信号線４０７と信号線４０８を同時にオンすれば、ＰＤ３０１−１、ＰＤ３０１−４の電荷を加算した撮像信号が増幅器４１１を通して読み出される。以上に述べた制御により、非加算と加算での動作を行わせることができる。また、上述した様に信号線３０６、３０４、３０３の選択制御手段で垂直の任意の位置を、信号線４０７、４０８の制御手段で水平方向の任意の位置を選択することが可能である。

図５は撮像素子の画素の色フィルタ配置を示す図であるが、赤（Ｒ）と緑（Ｇ）を繰り返す水平画素行と、緑（Ｇ）と青（Ｂ）を繰り返す水平画素行が、垂直方向に交互に配列されている。異なる色フィルタの隣接画素の加算制御、および同じ色フィルタの同色画素の加算制御は、上述と同様の制御により可能である。

以上に述べた撮像素子の制御手段により、画素信号の読み出しによって、隣接画素加算読み出し、同色画素加算読み出し、および加算する画素数を増減させた読み出しが可能となる。

図１は本発明の実施例を適用した撮像装置の構成を示すブロック図である。

１０１はレンズおよび絞りからなる光学系、１０２はメカニカルシャッタ（以下メカシャッタとする）、１０３はＸＹアドレス型撮像素子、１０４はＹアドレス選択部、１０５はＸアドレス選択部、１０６はＴＧ（タイミングジェネレータ）、１０７はタイミング調整部、１０８は撮像素子１０３の出力信号レベルを制御するＡＧＣ（自動利得制御部）、１０９はアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、１１０は撮像素子上に焦点をあわせるフォーカスレンズを駆動するフォーカスモータ、１１１は光学系１０１やメカシャッタ１０２およびフォーカスモータ１１０の駆動回路、１１２は撮影した画像データに必要な信号処理を行う信号処理回路、１１３は信号処理された画像データを記憶する画像メモリ、１１４は撮像装置から取り外し可能な画像記録媒体、１１５は信号処理された画像データを画像記録媒体１１４に記録する記録回路、１１６は信号処理された画像データやリアルタイム動画像や撮影画像および各種設定情報などを表示する表示装置、１１７は表示装置１１６に画像を表示する表示回路、１１８は撮像装置全体を制御するシステム制御部、１１９はシステム制御部１１８で実行される制御方法を記載したプログラム、プログラムを実行する際に使用されるパラメータやテーブル等の制御データを記憶しておく不揮発性メモリ（ＲＯＭ）、１２０は不揮発性メモリ１１９に記憶されたプログラムや制御データを転送して記憶しておき、システム制御部１１８が撮像装置を制御する際に使用する揮発性メモリ（ＲＡＭ）、１２１は種々のクロックやタイミングパルスを供給する発振器、１２２はシステムに電源を投入するためのメインスイッチ、１２３はＡＦやＡＥ等の撮影スタンバイ動作を行うためのスイッチ(以下ＳＷ１と記す)、１２４はＳＷ１の操作後、撮影を行う撮影スイッチ(以下ＳＷ２と記す)、１２５はＡＥ処理部、１２６はＷＢ処理部である。

以下、上述のように構成された撮像装置を用いてメカシャッタ１０２を使用した撮影動作について説明する。

撮影動作に先立ち、撮像装置の電源投入時等のシステム制御部１１８の動作開始時において、不揮発性メモリ１１９から必要なプログラムや制御データを揮発性メモリ１２０に転送して記憶しておくものとする。また、これらのプログラムやデータは、システム制御部１１８が撮像装置を制御する際に使用するとともに、必要に応じて、追加のプログラムやデータを不揮発性メモリ１１９から揮発性メモリ１２０に転送したり、システム制御部１１８が直接不揮発性メモリ１１９内のデータを読み出して使用したりするものとする。

まず、光学系１０１はＡＥ処理部１２５の制御信号により、絞りとレンズを駆動して適切な明るさに設定された被写体像を撮像素子１０３上に結像させる。次にメカシャッタ１０２は、ＡＥ処理部１２５の制御信号により、必要な露光時間となるように撮像素子１０３の動作に合わせて撮像素子１０３を遮光するように駆動される。この時、撮像素子１０３が電子シャッタ機能を有する場合は、メカルシャッタ１０２と併用して必要な露光時間を確保してもよい。撮像素子１０３は、ＴＧ１０６からのクロックや選択パルス等のタイミング信号により、水平シフトレジスタとしてのＸアドレス選択部１０５および垂直シフトレジスタとしてのＹアドレス選択部１０４により、２次元で画素の位置を選択・走査が行われ、被写体像を光電変換により電気信号に変換して出力する。またこのとき、システム制御部１１８により撮像素子１０３における読み出し動作（非加算読み出し、隣接画素加算読み出し、同色画素加算読み出し）が選択制御される。タイミング調整部１０７では、撮像素子１０３からの出力（１〜複数本）の読み出し時間等のタイミング調整が行われ、ＡＧＣ１０８により出力信号の振幅電圧利得を制御され、Ａ／Ｄ変換器１０９でデジタル画像信号に変換される。

次に、ＷＢ処理部１２６およびシステム制御部１１８により制御される信号処理回路１１２において、デジタル画像信号に対して、ホワイトバランス、色変換、ガンマ補正等の画像処理、解像度変換処理、画像圧縮処理等を行う。画像メモリ１１３は、信号処理中のデジタル画像信号を一時的に記憶したり、信号処理されたデジタル画像信号である画像データを記憶したりするために用いられる。信号処理回路１１２で信号処理された画像データや画像メモリ１１３に記憶されている画像データは、記録回路１１５において画像記録媒体１１４に適したデータ（例えば階層構造を持つファイルシステムデータ）に変換されて画像記録媒体１１４に記録したり、信号処理回路１１２で解像度変換処理を実施された後、表示回路１１７において表示装置１１６に適した信号（例えばＮＴＳＣ方式のアナログ信号等）に変換されて表示装置１１６に表示されたりする。また発振器１２１は、ＴＧ１０６やシステム制御部１１８などに種々のクロックやタイミングパルスを供給する。

ここで、信号処理回路１１２においては、システム制御部１１８からの制御信号により信号処理をせずにデジタル画像信号をそのまま画像データとして、画像メモリ１１３や記録回路１１５に出力してもよい。また、信号処理回路１１２はシステム制御部１１８から要求があった場合に、信号処理の過程で生じたデジタル画像信号や画像データの情報、例えば、画像の空間周波数、指定領域の平均値、圧縮画像のデータ量等の情報、あるいは、それらから抽出された情報をシステム制御部１１８に出力する。さらに、記録回路１１５は、システム制御部１１８から要求があった場合に、画像記録媒体１１４の種類や空き容量等の情報をシステム制御部１１８に出力する。

さらに、画像記録媒体１１４に画像データが記録されている場合の再生動作について説明する。システム制御部１１８からの制御信号により記録回路１１５は、画像記録媒体１１４から画像データを読み出し、同じくシステム制御部１１８からの制御信号により信号処理回路１１２は、画像データが圧縮画像であった場合には、画像伸長処理を行い、画像メモリ１１３に記憶する。画像メモリ１１３に記憶されている画像データは、信号処理回路１１２で解像度変換処理を実施された後、表示回路において表示装置１１６に適した信号に変換されて表示装置１１６に表示される。

以下、本発明の実施例の動作について図２を参照しながら詳述する。ここに図２は、本発明の実施例を適用した撮像装置の動作を表すフローチャートである。

まず、ステップＳ２０１でメインスイッチ１２２の状態を検出し、ＯＮであればステップＳ２０２へ進む。ここに、メインスイッチ１２２の機能はシステムに電源を投入することである。ステップＳ２０２では記録回路１１５により記録媒体１１４の残容量を調べ、残容量が０であればステップＳ２０３へ進み、そうでなければステップＳ２０４へ進む。ステップＳ２０３では記録媒体１１４の残容量が０であることを警告してステップＳ２０１に戻る。警告は表示装置１１６に表示するか又は図示しない音声出力部から警告音を出すか、又はその両方をおこなってもよい。

ステップＳ２０４ではスイッチＳＷ１の状態を調べ、ＯＮであればステップＳ２０６へ進み、そうでなければステップＳ２０５へ進む。ここに、ＳＷ１の機能は、ＡＦやＡＥなどの撮影スタンバイ動作を行うことである。ステップＳ２０５ではメインスイッチ１２２の状態を調べ、ＯＮであればステップＳ２０４へ、そうでなければステップＳ２０１へ進む。

電源の投入後ＳＷ１による撮影スタンバイ動作が行われるまでは、撮像素子１０３は同色画素加算による読み出しを行う。これは、表示装置１１６へのリアルタイム動画像のカラー表示やＷＢ処理部１２６によるAWB制御には混色を避ける必要があり、また滑らかな動画像表示を実現するため加算読み出しによる高速処理を行うためである。

ステップＳ２０６ではＡＥ処理部１２５で信号処理回路１１２の出力からＡＥ処理を行う。ステップＳ２０７では撮像素子から得られる信号の高域成分である焦点評価値がピーク値となるように、フォーカスモータ１１０により図示しないフォーカスレンズを駆動する。この山登り方式と呼ばれるＡＦ動作において、映像信号における高域周波数成分の必要以上の低下を防ぐため、検出方向に離れた画素の加算処理を避けると同時に、低照度条件下のS/N比向上のために隣接画素による加算処理を行う。ステップＳ２０８はＳＷ２の状態を調べ、ＯＮであればステップＳ２１０へ、そうでなければステップＳ２０９へ進む。ここに、ＳＷ２の機能はＳＷ１の操作後撮影を行うことである。ステップＳ２０９ではＳＷ１の状態を調べ、ＯＮであればステップＳ２０８へ戻り、そうでなければステップＳ２０４へ戻る。ステップＳ２１０では撮影動作をおこなう。ステップＳ２１１では記録媒体１１４の残容量を調べ、残容量が０であればステップＳ２０３へ進み、そうでなければステップＳ２１２へ進む。ステップＳ２１２ではＳＷ２の状態を調べ、ＯＮでなければステップＳ２０９へ進む。

上記実施形態では、主にＣＭＯＳプロセスによるＣＭＯＳセンサについて説明したが、ＣＣＤセンサによる複数の水平転送部を有する場合についても、各ＣＣＤセンサの読み出し転送回路を多重階層基板を用いてそれぞれ転送すれば、上述と同様に本発明を適用できる。

以上説明したように本発明の撮像装置によれば、撮像素子の画素信号の読み出し動作を撮像装置の各動作に応じて適切に行うことで、高速処理とS/N比向上による高精度な制御が可能となる。

なお、図６は本発明を適用した撮像装置における撮像素子の画素加算の例を示す図である。

本発明を適用した撮像装置の構成を示すブロック図である。 本発明を適用した撮像装置の動作を表すフローチャート図である。 本発明を適用した撮像装置における撮像素子の画素構成を説明する図である。 本発明を適用した撮像装置における撮像素子の構成を説明する図である。 本発明を適用した撮像装置における撮像素子の画素の色フィルタ配置を示す図である。 本発明を適用した撮像装置における撮像素子の画素加算の例を示す図である。

符号の説明

１０１ 光学系
１０２ メカニカルシャッタ
１０３ XYアドレス型撮像素子
１０４ Yアドレス選択部
１０５ Ｘアドレス選択部
１０６ ＴＧ
１０７ タイミング調整部
１０８ ＡＧＣ
１０９ Ａ／Ｄ変換器
１１０ フォーカスモータ
１１１ 駆動回路
１１２ 信号処理回路
１１３ 画像メモリ
１１４ 画像記録媒体
１１５ 記録回路
１１６ 表示装置
１１７ 表示回路
１１８ システム制御部
１１９ ＲＯＭ
１２０ ＲＡＭ
１２１ 発振器
１２２ メインスイッチ
１２３ スイッチ（ＳＷ１）
１２４ 撮影スイッチ（ＳＷ２）
１２５ ＡＥ処理部
１２６ ＷＢ処理部

Claims (3)

1. 二次元配列の複数の画素で構成され、複数の色のカラーフィルタが各画素に設置された撮像素子と、
   映像信号中の高周波成分を焦点評価値として検出し、前記焦点評価値に基づいてフォーカスレンズを駆動し焦点調節を行う測距手段を備え、
   撮像素子の画素信号の読み出し動作において、全画素読み出しと、隣接画素加算読み出しと、同色画素加算読み出しが可能であって、前記測距手段による測距動作においては隣接画素加算読み出しを行うことを特徴とする撮像装置。
2. 前記画素加算読み出しは、低照度条件下では水平方向および垂直方向に加算する画素数を増やすことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記撮像素子の画素信号によりホワイトバランス処理を行うホワイトバランス処理手段と、前記撮像素子の画素信号により測光動作を行う測光手段と、リアルタイム動画像や撮影画像および各種設定情報を表示する表示手段と、前記測光手段や前記測距手段による撮影スタンバイ動作を行うスイッチと、前記撮影スタンバイ終了後に撮影を行う撮影スイッチとを更に備え、
   撮影スタンバイ動作前は同色画素加算読み出しを行い、撮影スタンバイ動作中は隣接画素加算読み出しを行うことを特徴とする
   請求項１、又は請求項２に記載の撮像装置。

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